大方尾三体船型阻力及航态预报

现代船舶无论是单体船型还是多体船型,方尾都得到了广泛的运用,尤其对于三体船型,其多为喷水推进系统,船型设计时主体大多采用了较大方尾的设计。方尾船型在航行过程中,方尾后流场及出水情况随航速不断变化,这也一直是方尾船型阻力预报过程中的重点与难点。基于改进后的近场兴波方法,并对方尾后区域采取特殊处理,结合近水面网格快速划分的方法,对方尾船型的兴波阻力及航行姿态进行预报。得到不同航态下湿表面积后,预报船体总阻力。结合经验公式对低航速下的方尾静水力进行估算。以具有较大方尾的某三体船型为例进行计算,并将计算结果与实验值及部分软件参考结果进行对比,证明了理论方法可行有效。     

基于Kelvin源格林函数的船舶兴波阻力预报

实现了基于Kelvin源格林函数的实船模型兴波阻力预报,采用自适应数值积分算法处理被积函数的高频振荡。首先介绍了计算所用的数学模型及数值方法,而后将该方法应用于Wigley数学船型,初步验证了方法和程序的正确性.在此基础上计算系列60船型兴波阻力系数,对比试验结果分析了面元上Gauss节点数与数值积分算法选择对计算精度的影响,得出不同数值计算方案优劣的定性结论。针对方尾水面舰船标模DTMB 5415计算兴波阻力系数,所得结果在大部分速度区间内误差控制在5%以下。     

高速船型融合特型球鼻艏的多方案优化设计

[目的]为满足某特殊用途舰船的功能需求,需在艏部加装大型球鼻艏作为特种设备的载体。为克服大型球鼻艏作为特型附体给舰船快速性带来的不利影响,对高速船型融合特型球鼻艏的船型方案进行优化设计。[方法]采用逐步趋近分析方法,对该船型及附体进行多方案对比分析,利用数值模拟的方式优选阻力性能好的船型,并通过模型试验进行验证。[结果]结果表明,最终优化形成的圆舭型融合圆柱形球艏船型是满足布置需求且快速性能兼优的船型。[结论]在相同计算条件下,数值模拟能够较精准地预报各船型方案间的阻力差别,所提出的多方案优化设计方法是优化船型行之有效的方法。     

非对称双体船布局优选研究

本文基于CFD技术,对一种新船型–非对称双体船在不同片体尺寸以及布局下置于静水中航行时的运动响应进行计算模拟。通过CFD方法预报并讨论了非对称双体船的运动特点,通过势流方法计算了非对称双体船的兴波阻力,综合阻力以及航行姿态等因素对非对称双体船的布局进行优选并与常规双体船进行对比。研究表明,片体的布局差别会对非对称双体船的阻力及航行姿态产生很大影响,通过分析得出了综合性能优良的非对称船型布局方案。根据模拟结果分析了此种新船型的运动特点,可为非对称船型的发展提供参考。     

超细长三体船阻力计算研究

主船体为超细长体,两侧配置两个小侧体而形成的三体船是一种很有潜力的新船型,近年来已引起了广泛的关注。本文对三体船的阻力原理进行了分析,以“相当平板”假设为基础计算摩擦阻力,采用“1＋k”的方法计算形状阻力;采用线性兴波阻力理论建立三体船的兴波阻力计算方法,提出了一套计算三体船阻力的完整方法。经与船模试验结果比较,采用本方法预报三体船的阻力,Cw的计算结果可以定性地反映侧体布置位置对三体船兴波阻力的影响,计算结果比较接近实际情况,具有一定的可靠性,可用于该船型的阻力预报。     

高速方尾船兴波阻力的一种理论预报方法

应用经典薄船理论,以Michell兴波阻力积分公式为基础,针对高速船的方尾船型特点,采用"虚长度"法,编制了方尾船兴波阻力的计算程序。即在方尾后增加一个虚拟附体以使尾部封闭,通过对NPL船模系列(包括3b,4a,4b,4c,5a,5b,5c,6a,6b,6c共10条船型)的文献数据进行分析总结,得到一个计算虚长度的公式;对代号分别为3b,4b,5b,6b的4种单体船型兴波阻力进行数值计算,并与文献中的实验数据进行比较。结果显示,本文方法具有较高精度,适合于工程上方尾船兴波阻力的快速预报。     

基于线性兴波阻力理论的三体船中体船型优化

提出将线性兴波阻力帐篷函数法推广应用于三体船的方法。推导出确定侧体构型下的三体船线性兴波阻力帐篷函数法表达式及其中体船型优化的二次规划法计算模型。按该方法对数学三体船和工程应用三体船算例进行兴波阻力计算,将计算结果与模型试验结果进行对比验证,结果表明该方法计算三体船兴波阻力具有足够的精度。采用基于此兴波阻力表达式的中体船型优化二次规划法计算模型,对上述工程应用三体船中体船型进行了兴波阻力减阻优化计算,结果表明中体船型优化获得的兴波阻力减阻效果约达10%。     

基于Rankine源高阶面元法的船舶航行姿态与兴波阻力计算

针对航行船舶的兴波阻力和姿态预报,采用Rankine源高阶面元法求解船舶航行兴波问题。计算时采用叠模线性化自由面条件,对自由面影响系数奇异积分采用源点上置的方法处理,物面奇异积分和立体角则直接求解。就数学船型Wigley、S60和KCS集装箱船的航行兴波阻力与姿态分别进行了数值计算与分析,计算中根据姿态变化重新划分船体湿表面,进行迭代计算,不同航速下的姿态、兴波阻力和船侧波高与试验结果比较,吻合良好,自由面波形真实反映了物理现象,研究表明本文方法能准确地预报船舶航行姿态和兴波阻力,对不同船型和航行速度有着广泛的适用性。     

高速巡逻艇阻力预报及船型优化研究

为了快速、准确地获得高速船型的阻力性能,采用Michell积分法计算某高速巡逻艇的兴波阻力,并将计算结果同线性化的Rankine源法相比较,从而证实了该方法的有效性。同时以Michell积分法为基础,采用非线性规划法进行优化计算,在短时间内能获得性能优良的改良船型,由此可见,Michell积分法对于快速预报高速船型的阻力性能和船型优化是可靠的。     

非线性兴波数值方法在高速三体船侧体布局方案比较中的应用

为使三体船侧体布局方案阻力性能比较更加可靠,对单体船非线性自由面边界条件的兴波阻力预报程序进行改进,成功开发了考虑升沉和纵倾影响的三体船非线性兴波阻力预报程序,对15种侧体布局方案的Wigley三体船兴波阻力进行计算,并将其与线性薄船理论计算结果、线性自由面条件的Dawson型方法计算结果、模型试验结果进行比较,表明非线性兴波阻力数值方法能够更好地反映三体船兴波阻力特性,用于三体船侧体布局优化设计时较其他2种数值方法更加可靠.     

Stern waves consisting of forward-oriented breaking waves and the remaining following waves

When a ship with a wide, immersed transom stern runs on a deep draft, forward-oriented wave breaking often occurs just behind the transom stern. In such conditions, stern waves can be considered to consist of two main components: the forward-oriented breaking wave and the remaining following waves. In our previous study, which was the first part of the present study, we developed a method to treat the forward-oriented breaking wave, and have clarified that it has a scale effect and its resistance coefficient decreases with an increase in the size of the model ship. On the other hand, the study also indicated that the height of the remaining following waves increases with an increase in the model ship size. The purpose of this paper is a more complete understanding of the two different component characteristics of the stern waves. We have developed a method to estimate the resistance due to the remaining following waves. Using this method, we have reached three main conclusions. The resistance increases considerably if the remaining following waves change to forward-oriented breaking waves. The resistance coefficient of the remaining following waves increases only slightly with an increase in model ship size. This stern wave resistance coefficient is strongly affected by the forward-oriented breaking waves, and therefore decreases with an increase in model ship size. Received: January 5, 2001 / Accepted: May 28, 2001     

粘性对方尾船波浪力的影响分析

航行船舶绕射问题的准确求解是预报船舶波浪中运动的基础.文章分别采用基于三维移动脉动源的边界元法和基于RANS方程的CFD方法求解了规则波中航行的方尾船模型的波浪力,并通过与试验结果比较验证了方法的可靠性.CFD计算时通过从波浪力中分离出粘性力,研究了粘性对方尾船波浪力的影响.结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近.粘性对船模斜浪航行时的横摇力矩有较大影响.     

基于CFD的双艉船型阻力数值预报

根据船体阻力成因和预报方法的讨论分析,提出一种应用计算流体动力学（CFD）理论进行双艉船型阻力数值预报的方法。该方法采用势流理论计算兴波阻力,基于粘性流理论计算粘性阻力。通过对某典型散货双艉船与液货双艉船在不同航速下的阻力预报及其试验数据的比对分析,结果显示,预报误差基本控制在4%以内。研究表明,该方法计算效率较高、易于实现、经济性较好,且预报精度能满足工程需要,具有较强的工程实用性。     

数值模拟现代水面舰船带自由面的湍流绕流场

为了研究带自由面的船舶湍流绕流场,选择了一艘ITTC推荐的公开船模作为模拟对象,数值求解RANS方程。此模型为带声呐导流罩和方形尾封板的复杂水面舰船。采用Ogrid块拓扑算法生成质量较高的纯六面体多块结构化网格,计算中采用RNG k-ε湍流模式和标准壁面函数,并使用VOF算法来捕捉自由面。空间离散采用QUICK格式,压力-速度解耦采用PISO算法。将阻力和波形的数值结果与实验数据相比较,总阻力系数误差约2%,船侧波形、船首自由面吻合良好,显示了CFD方法在船舶水动力学中预测带自由面湍流绕流场的有效性。     

分段式尾压浪板对高速船阻力性能的影响

基于CFD技术,以排水型高速船Model 5b为模型,寻求改善高速船阻力性能的尾压浪板新形式。首先尾压浪板新形式的确定在静水条件下进行,然后在波浪条件下验证该压浪板的阻力性能。基于CFD软件建立三维数值波浪水池,静水条件下采用切割体网格技术预报船模的阻力性能。波浪条件下数值水池入口采用直接造波方法,尾部采用人工阻尼消波方法,自由面采用VOF方法处理,采用重叠网格技术预报船模的阻力性能以及运动响应。确定一种比常规压浪板阻力性能优良的分段式压浪板,为船舶节能附体的研究提供参考。     

Fundamental research on resistance reduction of surface combatants due to stern flaps

It is well known that a decrease in ship resistance may be achieved due to the installation of a stern flap. Therefore, so far, a considerable amount of research on stern flaps has been conducted. Previous research has demonstrated that the primary mechanism by which a stern appendage reduces resistance is a change in the pressure distribution over the aft body of the hull, and secondly through effects on the running attitude, near and far field wave generation, and local transom flow among other phenomena. However, the change in pressure distribution is influenced by the other components. Hence, there is still room for argument about the relative contribution of each component to the pressure distribution. Therefore, as the first step of the research, by conducting the model experiment in towing tank and CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis, we examined the effect of running attitudes and wave making at the after portion of the hull on resistance reduction. As a result, it is concluded that a flap affects a change in the wave generated at the transom part and it could lead to a decrease in wave-making resistance.     

三体船兴波问题的数值计算

以基于NURBS(non-uniformra tionalB-splines,非均匀有理B样条)的广义高阶面元法讨论了三体船兴波波形与兴波阻力的数值计算问题。对两种不同船型的三体船进行了计算,计算结果与试验结果的比较表明了该方法的有效性。文中还讨论了高速方尾三体船侧体的横向偏距和纵向偏距对兴波阻力的影响。     

船体艏部水动力性能优化

提出一种以势流兴波阻力理论Rankine源方法为基础,结合SHIPFLOW软件为计算工具,利用CAD-CFD集成平台FRIENDSHIP-Framework软件进行变形优化,研究船舶的最小兴波阻力型线优化设计的方法,并考察了兴波优化得到的船型总阻力变化情况。在型线优化过程中,以兴波阻力系数为目标函数,排水量变化范围为约束条件,在Wigley船体前端增加一个利用Feature建模技术参数化生成的球艏并调整艏部型线使得船体表面光顺。选取球鼻艏形状的各项参数作为基本设计变量,利用DOE方法对船艏进行优化,获得了设计航速下兴波阻力较小的船型,验证了所提方法进行船艏型线优化的有效性。相应的考察变形及优化前后总阻力变化情况表明:在高傅汝德数情况下增加球艏所带来的粘性阻力的增加小于兴波阻力的减小量,总阻力得到了改善,优化后得到的球艏能在进一步减小兴波的同时减小总阻力。此外,还运用所提方法对3100TEU船型的船艏,利用Delta Shift方法进行变形,在设计航速下,将变形的参数作为设计变量,利用DOE方法进行优化设计。结果显示:在排水量限制范围内当球鼻艏向上向前伸展一定长度时可以降低兴波阻力。与此同时,由于优化前后船体湿表面积变化很小,粘性阻力的变化并不明显,兴波的减小则使得总阻力得到了改善。     

平头方尾运输船舶开槽减阻研究

传统的平头方尾型运输船舶具有载重大、吃水浅的优点,但航行阻力大,航速低。本文针对该船型开展了开槽减阻的研究,通过在船底开设纵向槽道对艏部高压区进行引流减阻,来实现该船型高航速运输的要求。船体流场及阻力采用RANS方法进行数值模拟,并计及航行姿态的变化。通过改变槽道长度、宽度以及槽道顶板的形状,研究了减阻效果与槽道几何尺度的关系。针对某型船船的研究表明,船底槽道的引流量是影响减阻效果的主要因素,当采用纵向贯穿的槽道,且槽道顶板的折角点设在船中时,可使原船30节时的减阻率达到24%以上。     

方尾船绕射问题RANS求解研究

基于RANS方程,采用VOF方法捕捉自由液面,通过自定义函数UDF在Fluent平台上建立了三维数值波浪水池,模拟了规则波的生成、传播和消波,发现波陡对数值造波的精度有较大影响。求解了规则波中顶浪航行的方尾船模型的波浪力,并与试验结果和势流理论结果进行了比较。结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近。